JP2008175115A - 内燃機関の過給機制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】２つのターボ過給機の回転数バランスを維持して、過給圧の制御性を向上させるとともに、ターボ過給機の過回転を防止する。
【解決手段】内燃機関には、吸気通路と排気通路に並列に２つの過給機が設けられる。２つの過給機は、小容量の第１の過給機と、第１の過給機より大容量の第２の過給機を含む。また、通常の制御では、低速域では小容量である第１の過給機のみが動作し（１個ターボモード）、高速域では第１及び第２の過給機がともに動作する（２個ターボモード）。ここで、２個ターボモードにおいては、２つの過給機の回転数が検出され、その回転数差が監視される。そして、回転数差が予め決定された所定値を超えた場合には、大容量である第２の過給機を流れる排気の流量を減少させる。これにより、２つの過給機の回転数差が抑制され、過給圧の制御性が向上するとともに、過給機が過回転となることが防止される。
【選択図】図３

Description

本発明は、吸気通路及び排気通路に並列に配置された２つの過給機に対する排気流量を制御する装置に関する。

従来から、吸気系及び排気系に２つの過給機を並列に配置し、これらの過給機の作動個数を適宜切り替える技術が提案されている。例えば、特許文献１には、プライマリターボ過給機とセカンダリターボ過給機とを並列に配置した内燃機関の例が記載されている。上記の内燃機関では、セカンダリターボ過給機はプライマリターボ過給機よりも大容量に構成されている。そして、エンジン運転領域が低速域のときにはプライマリターボ過給機のみを動作させ、高速域のときには２つの過給機を同時に動作させる。これにより、低速域から高速域にわたって出力性能を向上させている。

実開平７−２５２２８号公報

しかしながら、上記のような過給システムでは、セカンダリターボ過給機のタービン容量がプライマリターボ過給機のタービン容量よりも大きいため、エンジン運転領域が高速域となって排気ガス量が増加すると、排気抵抗の小さいセカンダリターボ過給機側に多量の排気が流れやすくなる。このため、過給圧の制御が難しくなるとともに、セカンダリターボ過給機が過回転となる恐れがある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、２つのターボ過給機の回転数バランスを維持して、過給圧の制御性を向上させるとともに、ターボ過給機の過回転を防止することを目的とする。

本発明の１つの観点では、内燃機関の過給機制御装置は、吸気通路及び排気通路に並列に配置された、第１の過給機及び前記第１の過給機より容量が大きい第２の過給機と、前記第１及び第２の過給機がともに動作しているときに、前記第１の過給機の回転数と前記第２の過給機の回転数との回転数差を取得する回転数差取得手段と、前記回転数差が所定値より大きいときに、前記第２の過給機を流れる排気の流量を減少させる排気流量制御手段と、を備える。

上記の過給機制御装置では、内燃機関には、吸気通路と排気通路に並列に２つの過給機が設けられる。２つの過給機は、小容量の第１の過給機と、第１の過給機より大容量の第２の過給機を含む。また、通常の制御では、低速域では小容量である第１の過給機のみを動作させ（１個ターボモード）、高速域では第１及び第２の過給機をともに動作させる（２個ターボモード）。ここで、２個ターボモードにおいては、２つの過給機の回転数が検出され、その回転数差が監視される。そして、回転数差が予め決定された所定値を超えた場合には、大容量である第２の過給機を流れる排気の流量を減少させる。これにより、２つの過給機の回転数差が低減し、過給圧の制御性が向上するとともに、過給機が過回転となることが防止される。

上記の過給機制御装置の一態様では、前記内燃機関は、前記第２の過給機が設けられた排気通路に排気流量制御弁を備え、前記排気流量制御手段は、前記排気流量制御弁の開度を制御する。

この態様では、第２の過給機側の排気通路上に排気流量制御弁が設けられており、その開度を制御することにより、第２の過給機を流れる排気流量が制御される。なお、排気流量制御弁は、第２の過給機側の排気通路において、第２の過給機のタービンの上流側にあっても下流側にあってもよい。また、排気流量制御弁は、排気通路のバイパス通路に設けられたバイパス弁を含んでもよい。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施の形態について説明する。

［全体構成］
まず、本実施形態に係る内燃機関の過給機制御装置が適用されたシステムの全体構成について説明する。

図１は、本実施形態に係る内燃機関の過給機制御装置が適用された車両の構成を示す概略図である。図１では、実線矢印がガスの流れを示し、破線矢印が信号の入出力を示している。なお、図１においては、１個ターボモードに設定した場合のガスの流れを示している。

車両は、主に、エアクリーナ２と、吸気通路３と、ターボ過給機４、５と、吸気切替弁６と、リード弁７と、内燃機関８と、過給圧センサ９と、排気通路１０と、ＥＧＲ通路１１と、ＥＧＲ弁１４と、排気切替弁１５と、排気バイパス弁１６と、ＥＣＵ（Engine Control Unit）５０と、を備える。

エアクリーナ２は、外部から取得された空気（吸気）を浄化して、吸気通路３に供給する。吸気通路３は途中で吸気通路３ａ、３ｂに分岐されており、吸気通路３ａにはターボ過給機４のコンプレッサ４ａが配設されており、吸気通路３ｂにはターボ過給機５のコンプレッサ５ａが配設されている。コンプレッサ４ａ、５ａは、それぞれ、吸気通路３ａ、３ｂを通過する吸気を圧縮する。

また、吸気通路３ｂ中には、吸気切替弁６、及びリード弁７が設けられている。吸気切替弁６は、ＥＣＵ５０から供給される制御信号Ｓ６によって開閉が制御され、吸気通路３ｂを通過する吸気の流量を調整可能に構成されている。例えば、吸気切替弁６を開閉させることにより、吸気通路３ｂにおける吸気の流通／遮断を切り替えることができる。リード弁７は、通路中の圧力が所定以上となった際に開弁するように構成されている。更に、コンプレッサ４ａ、４ｂの下流側の吸気通路３には、過給圧センサ９が設けられている。過給圧センサ９は、過給された吸気の圧力（以下、「実過給圧」とも呼ぶ。）を検出し、この実過給圧に対応する検出信号Ｓ９をＥＣＵ５０に供給する。

内燃機関８は、左右のバンク（気筒群）８Ｌ、８Ｒにそれぞれ４つずつの気筒（シリンダ）８Ｌａ、８Ｒａが設けられたＶ型８気筒のエンジンとして構成されている。内燃機関８は、吸気通路３より供給される吸気と燃料との混合気を燃焼することによって、動力を発生する装置である。内燃機関８は、例えばガソリンエンジンやデーゼルエンジンなどによって構成される。そして、内燃機関８内における燃焼により発生した排気ガスは、排気通路１０に排出される。なお、内燃機関８を、８気筒で構成することに限定はされない。

排気通路１０中には、ＥＧＲ通路１１が接続されている。ＥＧＲ通路１１は、一端が排気通路１０に接続されており、他端が吸気通路３に接続されている。ＥＧＲ通路１１は、排気ガス（ＥＧＲガス）を吸気系に還流するための通路である。具体的には、ＥＧＲ通路１１には、ＥＧＲクーラ１２と、ＥＧＲ弁１４と、バイパス通路１１ａと、バイパス弁１３とが設けられている。ＥＧＲクーラ１２はＥＧＲガスを冷却する装置であり、ＥＧＲ弁１４はＥＧＲ通路１１を通過するＥＧＲガスの流量を調節する弁、言い換えると吸気系に還流させるＥＧＲガスの量を調節する（即ちＥＧＲ率を調節する）弁である。この場合、ＥＧＲ弁１４は、ＥＣＵ５０から供給される制御信号Ｓ１４によって開度が制御される。また、バイパス通路１１ａは、ＥＧＲクーラ１２をバイパスする通路であり、通路上にはバイパス弁１３が設けられている。このバイパス弁１３によって、バイパス通路１１ａを通過するＥＧＲガスの流量が調節される。なお、図１においては、ＥＧＲ弁１４が閉に設定されているため、ＥＧＲガスは還流されない。

排気通路１０は途中で排気通路１０ａ、１０ｂに分岐されており、排気通路１０ａにはターボ過給機４のタービン４ｂが配設されており、排気通路１０ｂにはターボ過給機５のタービン５ｂが配設されている。タービン４ｂ、５ｂは、それぞれ、排気通路１０ａ、１０ｂを通過する排気ガスによって回転される。このようなタービン４ｂ、５ｂの回転トルクが、ターボ過給機４内のコンプレッサ４ａ及びターボ過給機５内のコンプレッサ５ａに伝達されて回転することによって、吸気が圧縮される（即ち過給される）こととなる。なお、ターボ過給機４は、低中速域で過給能力の大きい小容量の低速型の過給機として構成され、ターボ過給機５は、中高速域で過給能力の大きい大容量の高速型の過給機として構成されている。

また、ターボ過給機４には、ターボ回転数、即ちタービン４ｂの回転数を検出する回転数センサ４ｃが設けられている。同様に、ターボ過給機５には、ターボ回転数、即ちタービン５ｂの回転数を検出する回転数センサ５ｃが設けられている。回転数センサ４ｃ、５ｃからそれぞれ出力される回転数検出信号Ｓ１８、Ｓ１９は、ＥＣＵ５０に供給される。

更に、排気通路１０ｂには、排気切替弁１５が設けられていると共に、排気バイパス通路１０ｂａが接続されている。排気切替弁１５は、ＥＣＵ５０から供給される制御信号Ｓ１５によって開閉が制御され、排気通路１０ｂを通過する排気ガスの流量を調整可能に構成されている。例えば、排気切替弁１５を開閉させることにより、排気通路１０ｂにおける排気ガスの流通／遮断を切り替えることができる。また、排気バイパス通路１０ｂａは、排気切替弁１５が設けられた排気通路１０ｂをバイパスする通路として構成されている。具体的には、排気バイパス通路１０ｂａは、排気切替弁１５が設けられた排気通路１０ｂよりも、通路の径が小さく構成されている。また、排気バイパス通路１０ｂａ中には排気バイパス弁１６が設けられており、この排気バイパス弁１６によって、排気バイパス通路１０ｂａを通過する排気ガスの流量が調節される。

なお、前述した吸気切替弁６、排気切替弁１５、及び排気バイパス弁１６が全て閉である場合には、ターボ過給機４にのみ吸気及び排気ガスが供給され、ターボ過給機５には吸気及び排気ガスが供給されない。そのため、ターボ過給機４のみが作動し、ターボ過給機５は作動しない。一方、吸気切替弁６が開であり、排気切替弁１５及び排気バイパス弁１６のいずれかが開である場合には、ターボ過給機４、５の両方に吸気及び排気ガスが供給される。そのため、ターボ過給機４、５の両方が作動する。

ＥＣＵ５０は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びＡ／Ｄ変換器などを含んで構成される。ＥＣＵ５０は、車両内の各種センサから供給される出力等に基づいて、車両内の制御を行う。具体的には、ＥＣＵ５０は、過給圧センサ９から実過給圧を取得し、この実過給圧などに基づいて、吸気切替弁６、ＥＧＲ弁１４、及び排気切替弁１５、並びに排気バイパス弁１６などに対する制御を行う。

本実施形態では、ＥＣＵ５０は、主に、吸気切替弁６、排気切替弁１５、及び排気バイパス弁１６を制御することによって、ターボ過給機４のみを作動させるモード（「１個ターボモード」と呼ぶ。）と、ターボ過給機４、５の両方を作動させるモード（「２個ターボモード」と呼ぶ。）とを切り替える制御を行う。詳しくは、ＥＣＵ５０は、運転状態等、例えばエンジン回転数及び要求トルクに基づいて、１個ターボモードから２個ターボモードへの切り替え、及び２個ターボモードから１個ターボモードへの切り替えを実行する。

ここで、１個ターボモードと２個ターボモードとを切り替える際に実行される基本的な制御について、簡単に説明する。前述したように、モードの切り替えは、ＥＣＵ５０が、吸気切替弁６、排気切替弁１５、及び排気バイパス弁１６を制御することによって行う。具体的には、１個ターボモードから２個ターボモードへ切り替える場合には、ＥＣＵ５０は、吸気切替弁６、排気切替弁１５、及び排気バイパス弁１６を閉から開に制御する。この場合、ＥＣＵ５０は、基本的には、排気バイパス弁１６、排気切替弁１５、吸気切替弁６の順に弁を開にすることによって、切り替えを実行する。より詳しくは、まず排気バイパス弁１６を少しずつ開いていき、この状態において所定の条件が満たされたときに排気切替弁１５を開いていき、その後に吸気切替弁６を開く。この場合、最初に排気バイパス弁１６を少し開くのは、比較的小流量の排気ガス（排気バイパス通路１０ｂａの径が小さいため）をターボ過給機５に供給することで、ターボ過給機５を徐々に作動（即ち、助走）させるためである。言い換えると、最初に排気切替弁１５を開くことによって、比較的大流量の排気ガスがターボ過給機５に一気に流れて、トルクショックなどが生じてしまうことを防止するためである。一方、１個ターボモードから２個ターボモードへ切り替える場合には、ＥＣＵ５０は、上記と同様にして、吸気切替弁６、排気切替弁１５、及び排気バイパス弁１６を開から閉に制御する。

図２は、１個ターボモードと２個ターボモードの動作領域マップを概略的に示す。図２のグラフにおいて、横軸はエンジン回転数を示し、縦軸は要求トルク（燃料噴射量）を示す。図２において、細い実線６１及び太い実線６３は小容量であるターボ過給機４の動作特性を示し、破線６２及び太い実線６４は大容量であるターボ過給機５の動作特性を示す。エンジン回転数及び要求トルク（燃料噴射量）によって定まる動作点が実線６１より下側にある場合、内燃機関は１個ターボモードで動作する。また、エンジン回転数及びトルクが増加し、動作点が実線６１より上側の斜線領域に入った場合、内燃機関は２個ターボモードで動作する。

［排気流量制御］
次に、本発明による排気流量制御について説明する。上述のように、２個ターボモードにおいてエンジン回転数が高速域になり、排気ガス量が増加した場合、その排気ガスは、大容量であるために排気抵抗が小さいターボ過給機５側に流れやすくなる。その結果、ターボ過給機４と比べてターボ過給機５の回転数が増大し、過給圧の制御性が低下する。また、ターボ過給機５の回転数が急激に増大し、過回転となる恐れもある。

そこで、本発明では、２個ターボモードにおいて、各ターボ過給機４、５の回転数差を監視する。そして、回転数差が所定値以上となった場合には、回転数差を減少させるように、大容量であるターボ過給機５の排気流量を減少させる。

具体的に、ＥＣＵ５０は、各ターボ過給機４、５に設けられた回転数センサ４ｃ、５ｃに基づいて回転数差を算出する。回転数差の比較対象となる所定値は、実験などにより予め決定され、少なくとも大容量であるターボ過給機５が過回転とならない値に設定される。また、所定値は、ターボ過給機５が過回転とならず、かつ、２個ターボモードにおける過給圧の所望の制御性が確保できる範囲に回転数差を抑制するような値に設定してもよい。

ターボ過給機５の排気流量の制御は、具体的には、排気切替弁１５及び排気バイパス弁１６の開閉制御により実現される。以下の説明では、排気切替弁１５と排気バイパス弁１６を併せて「排気流量制御弁」と呼ぶこともある。

図３は、本発明による排気流量制御のフローチャート例を示す。なお、この制御は、ＥＣＵ５０が予め用意されたプログラムを実行することにより実現される。

まず、ＥＣＵ５０は、例えばエンジン回転数及び要求トルクに基づいて、内燃機関の運転状態が１個ターボ作動域にあるか否かを判定する（ステップＳ１０１）。この判定は、具体的には、図２に示した動作領域マップを参照することにより実行される。運転状態が１個ターボ作動域にある場合、ＥＣＵ５０は小容量のターボ過給機４を作動させ、１個ターボモードで内燃機関を運転する（ステップＳ１０２）。この際には、前述のように、吸気切替弁７、排気切替弁１５及び排気バイパス弁１６はいずれも閉状態とされる。

次に、ＥＣＵ５０は、内燃機関の運転状態が２個ターボ作動域にあるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。この判定も図２に示した動作領域マップを参照することにより実行される。運転状態が２個ターボ作動域にある場合、ＥＣＵ５０は大容量のターボ過給機５を作動させ、２個ターボモードで内燃機関を運転する（ステップＳ１０４）。この際、ＥＣＵ５０は、吸気切替弁７、排気切替弁１５及び排気バイパス弁１６をいずれも開とする。

次に、ＥＣＵ５０は、各ターボ過給機４、５に設けられた回転数センサ４ｃ、５ｃからの回転数検出信号Ｓ１８、Ｓ１９に基づいて、２つのターボ過給機の回転数差を算出し、当該回転数差が所定値より大きいか否かを判定する（ステップＳ１０５）。前述のように、この所定値は、少なくともターボ過給機５が過回転とならないように、また、好ましくは２つの過給機の回転数を適度にバランスさせて過給圧の制御性が維持できるように決定されている。よって、回転数差がこの所定値を超えた場合は、ＥＣＵ５０は２つのターボ過給機４、５の回転数が不適切なアンバランス状態にあると判定し、ターボ過給機５の下流にある排気流量制御弁、即ち、排気切替弁１５及び排気バイパス弁１６の開度を調整（閉じ側に変更）する。なお、この際の閉じ量は、内燃機関の状態（エンジン回転数、燃料噴射量など）に依存し、マップなどの形態で予め設定されている。このように排気流量制御弁をある程度閉じることにより、ターボ過給機５の回転数が減少し、回転数差が所定値以内に収まるようなフィードバック制御が実行される。

排気流量制御弁の開度を調整した後、ＥＣＵ５０は、再度回転数差が所定値より大きいか否かを判定する（ステップＳ１０７）。こうして、回転数差が所定値より大きい間（ステップＳ１０７；Ｙｅｓ）は、ＥＣＵ５０はさらに排気流量制御弁の開度を小さくしていき、回転数差を減少させる。そして、回転数差が所定値以下となったとき（ステップＳ１０７；Ｎｏ）、ＥＣＵ５０は排気流量制御弁を元の全開状態に戻す（ステップＳ１０８）。

以上説明したように、本発明では、２つのターボ過給機４、５の回転数差が所定値より大きい場合には、その差を減少させるように、大容量のターボ過給機５を通過する排気流量を減少させる。よって、２つのターボ過給機４、５は常にその回転数がある範囲でバランスした状態で動作することになる。これより、過給圧の制御性が向上するとともに、ターボ過給機、特に大容量のターボ過給機が過回転となることが防止できる。

［変形例］
上記の例では、図１に示す車両の構成において、排気流量制御弁として動作する排気切替弁１５及び排気バイパス弁１６がターボ過給機５のタービン５ｂよりも上流側に設けられている。その代わりに、排気流量制御弁がターボ過給機５のタービン５ｂより下流側に設けられた構成であってもかまわない。また、排気流量制御弁として、排気バイパス弁を有さず、排気切替弁のみが設けられた構成であってもかまわない。

また、上記の例では、２個ターボモードにおいて排気バイパス弁１６を開いた状態としている。その代わりに、排気バイパス１６を主として２個ターボモードへ移行する際のターボ過給機５の助走の目的で使用する場合には、２個ターボモードへ移行完了後、排気バイパス弁１６を閉じることとしてもよい。この場合には、本発明の排気流量制御は排気切替弁１５のみの開閉により実施されることとなる。

また、上記の例では、図３に示す排気流量制御のステップＳ１０３において、２個ターボ作動域であるか否かを内燃機関の運転状態に基づいて判定している。その代わりに、または、それに加えて、ターボ過給機５に設けられた回転数センサ５ｃの出力に基づいてターボ過給機５が動作しているか否かを検出することにより、２個ターボモードであるか否かを判定してもよい。また、ターボ過給機５のコンプレッサ５ａの出口の圧力を検出し、この圧力が所定圧力値以上である場合に２個ターボモードであると判定してもよい。

本実施形態に係る内燃機関の過給機制御装置が適用された車両の概略構成を示す図である。 １個ターボモードと２個ターボモードの動作領域マップを概略的に示す。 本発明による排気流量制御のフローチャートである。

符号の説明

２ エアクリーナ
３ 吸気通路
４、５ ターボ過給機
４ａ、５ａ コンプレッサ
４ｂ、５ｂ タービン
４ｃ、５ｃ 回転数センサ
６ 吸気切替弁
８ 内燃機関
８ａ 気筒
９ 過給圧センサ
１０ 排気通路
１１ ＥＧＲ通路
１４ ＥＧＲ弁
１５ 排気切替弁
１６ 排気バイパス弁
５０ ＥＣＵ

Claims (3)

1. 吸気通路及び排気通路に並列に配置された、第１の過給機及び前記第１の過給機より容量が大きい第２の過給機と、
   前記第１及び第２の過給機がともに動作しているときに、前記第１の過給機の回転数と前記第２の過給機の回転数との回転数差を取得する回転数差取得手段と、
   前記回転数差が所定値より大きいときに、前記第２の過給機を流れる排気の流量を減少させる排気流量制御手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の過給機制御装置。
2. 前記内燃機関は、前記第２の過給機が設けられた排気通路に排気流量制御弁を備え、
   前記排気流量制御手段は、前記排気流量制御弁の開度を制御することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の過給機制御装置。
3. 前記所定値は、前記第２の過給機の回転数が過回転とならない値であることを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の過給機制御装置。

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